La energía solar es la fuente de energía más abundante y ubicua del mundo, y científicos de todo el mundo buscan maneras de convertir la luz solar en una forma útil.
La mayoría de las personas conoce la energía solar fotovoltaica, que genera electricidad, y los paneles solares que producen agua caliente. Pero existe otra línea de investigación solar: convertir la luz del sol en combustibles líquidos.
La investigación sobre combustibles líquidos derivados de la energía solar, o combustibles solares, busca producir una variedad de productos compatibles con nuestra infraestructura energética actual, como gasolina, combustible para aviones e hidrógeno. El objetivo es almacenar la luz solar en forma líquida, superando cómodamente su naturaleza intermitente. Soy uno de los cada vez más numerosos investigadores que se centran en este campo.
¿Cómo se puede lograr? ¿Y qué desafíos científicos quedan por resolver antes de poder llenar el depósito de un automóvil con combustible generado mediante energía solar?
Acelerar la naturaleza
La producción de combustibles solares resulta particularmente atractiva porque aborda tanto el problema de la conversión como el del almacenamiento inherentes a la luz solar; concretamente, el sol está disponible solo durante un tercio del día. Esta es una ventaja distintiva frente a otras tecnologías de conversión solar. Los paneles solares fotovoltaicos, por ejemplo, deben conectarse a una compleja red de distribución y almacenamiento, como las baterías, cuando la producción de electricidad no coincide con la demanda.
El término «combustible solar» es un tanto inapropiado. De hecho, técnicamente, todos los combustibles fósiles derivan de la energía solar. La energía solar impulsa la fotosíntesis, que forma materia vegetal mediante la reacción del dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O); y, a lo largo de millones de años, la descomposición de la materia vegetal crea los hidrocarburos que usamos para abastecer de energía a nuestra sociedad.
Un enfoque termoquímico elimina el oxígeno del vapor de agua y del dióxido de carbono gaseoso mediante el calor del sol. Después, los gases resultantes se combinan químicamente en un proceso aparte para producir combustibles líquidos.
Jonathan Scheffe, autor proporcionado
La desventaja de este proceso es que la eficiencia de la naturaleza al producir hidrocarburos es extremadamente baja, mientras que la necesidad de energía de la humanidad nunca ha sido mayor. Como resultado, el ritmo actual de consumo de combustibles fósiles supera con creces el ritmo al que la naturaleza los produce por sí sola, lo que motiva a aumentar la eficiencia de la naturaleza y acelerar artificialmente la producción de combustibles solares.
Este es el verdadero significado de «combustible solar» tal como se usa hoy, pero el objetivo final es el mismo: convertir la energía solar, el CO2 y el H2O en formas químicas como la gasolina.
Al laboratorio
El primer paso para crear combustibles solares artificiales es descomponer moléculas de CO2 y/o H2O, a menudo en monóxido de carbono (CO), o en carbono e hidrógeno (H2). No es una tarea sencilla, ya que ambas moléculas son muy estables (¡el H2 no se forma espontáneamente a partir del H2O!) y, por tanto, este paso requiere una cantidad considerable de energía suministrada por la luz solar, ya sea directamente en forma de fotones o indirectamente como electricidad o calor.
Este paso suele ser el componente más crucial del proceso y representa el mayor obstáculo para la comercialización de las tecnologías de combustibles solares actuales, pues determina en gran medida la eficiencia del proceso global de producción de combustible y, por tanto, su costo.
Una vez superado este paso, las moléculas resultantes —en este caso, una mezcla de CO e hidrógeno llamada gas de síntesis— pueden convertirse mediante diversas tecnologías existentes, según el producto final deseado. La conversión de gases de hidrocarburos a estado líquido ya se lleva a cabo a escala industrial gracias a grandes empresas como Shell Global Solutions y Sasol, que utilizan estas tecnologías para aprovechar el bajo costo del gas natural actual y producir combustibles líquidos de mayor valor.
Recientemente, un proyecto patrocinado por la Unión Europea llamado SOLAR-JET (Demostración de un reactor químico solar y optimización para la disponibilidad a largo plazo de combustible de aviación renovable) demostró por primera vez la conversión de energía solar en combustible para aviones, o queroseno. Los investigadores combinaron la producción impulsada por energía solar de gas de síntesis, también llamado syngas, a partir de CO2 y H2O, con un reactor posterior de conversión de gas a líquidos; en este caso, un reactor Fischer-Tropsch en la sede de Shell en Ámsterdam.
La producción de combustibles líquidos es especialmente importante para la industria aeronáutica, que depende de combustibles con alta densidad energética, y constituye otra ventaja importante de la producción de combustibles solares frente a la electricidad solar.
El proyecto SOLAR-JET, en el que trabajé con varios investigadores más, utilizó un proceso llamado producción termoquímica solar de combustibles, en el que la energía solar se concentra mediante elementos ópticos —espejos y lentes—, de forma muy parecida a como una lupa puede iniciar un fuego. El calor resultante se absorbe entonces en una cámara que actúa como reactor químico. Luego, el calor absorbido se usa para disociar H2O y/o CO2 mediante un proceso de tipo catalítico, uno de los pasos más difíciles desde el punto de vista técnico en todos los procesos de conversión solar de combustibles. Los productos resultantes (hidrógeno o gas de síntesis) pueden capturarse y convertirse posteriormente en combustibles líquidos.
Fotosíntesis artificial
Existen muchas otras estrategias para impulsar las reacciones necesarias en el primer paso de la producción de combustibles solares, incluidas las que utilizan directamente la luz —los fotones— o indirectamente, en forma de electricidad.
Por ejemplo, la llamada fotosíntesis artificial utiliza los fotones directamente en un proceso catalítico, en lugar de absorberlos como calor, para descomponer moléculas de H2O y CO2.
Los métodos electroquímicos utilizan electricidad, que podría generarse mediante una célula fotovoltaica, para impulsar la separación del H2O y el CO2 a través de un proceso conocido como electrólisis.
Hasta la fecha, los principales obstáculos para comercializar todas estas tecnologías se relacionan principalmente con su baja eficiencia —es decir, con la cantidad de energía necesaria para producir un combustible líquido— y su robustez general. Por ejemplo, la eficiencia del proyecto de conversión termoquímica SOLAR-JET mencionado anteriormente sigue siendo inferior al 2%, pero para que esta tecnología sea comercialmente viable habrá que alcanzar eficiencias superiores al 10%.
Un equipo de la Universidad de Florida, financiado por la agencia de investigación ARPA-E trabaja para alcanzar estos objetivos de eficiencia mediante otro proceso termoquímico que utiliza elementos ópticos para generar calor. Sin embargo, la robustez ante temperaturas extremas (superiores a 1200 Celsius o más de 2000 Farenheit) sigue siendo una preocupación importante que se está abordando.
Además, para que la producción de combustibles solares reduzca realmente los niveles de gases de efecto invernadero, debe combinarse con métodos para capturar CO2 del aire. Esta tecnología aún está relativamente poco desarrollada, pero empresas como Climeworks trabajan para hacerla realidad.
Si a esto se añade la complejidad de integrar un aporte de energía variable en el tiempo (el sol) con un reactor químico, el alcance general del desafío puede parecer enorme. No obstante, cada día se realizan avances que permiten esperar que pronto los combustibles solares de mayor eficiencia sean una realidad.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Jonathan Scheffe es profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la University of Florida.
Imagen: Un prototipo de panel solar con seguimiento del sol fabricado por Concentrix Solar recoge energía en su ubicación en la Universidad de California en San Diego, el 10 de febrero de 2011. REUTERS/Mike Blake.
